بخشی از مقاله
چکیده
رشد سریع جمعیت و آلودگی منابع آب شیرین، در آینده نزدیک باعث ایجاد شرایط تنش زا در جهان خواهد شد. تکنیک جذب یک روش محبوب در کاهش میزان آلایندههای موجود در آب است. بسیاری از محققان بر توسعه کربنهای فعال تولید شده از منابع ارزان قیمت زیستی برای جایگزینی کربنهای فعال تجاری گران قیمت پژوهش نمودهاند. برای تولید کربن فعال، از روش پیرولیز میتواند استفاده شود.
پیرولیز یک فناوری مفید برای تبدیل زیستتوده به کربن فعال و سوختهای تجدیدپذیر است. در پیرولیز، زیستتوده به نفت و زغال زیستی و یا گاز تبدیل میشود. تصفیه فاضلاب با استفاده از کربنهای فعال ضایعات زیستی توجه بسیاری را به خود جلب می کند، زیرا این تکنولوژی هزینه های تولید کربن فعال را کاهش می دهد و در نتیجه باعث کاهش هزینه دفع ضایعات زیستی می شود. این مقاله به تحقیق و توسعه در مورد استفاده از کربن فعال سنتز شده از ضایعات زیستی برای تصفیه فاضلاب است.
-1 مقدمه
زیست توده یک منبع تجدیدپذیر برای تولید انرژی، سوخت و مواد شیمیایی است. در پی یافتن منابع انرژی تجدیدپذیر، زیستتوده به دلیل منابع فراوان و کربن خالص به عنوان یک منبع امیدبخش در حال ظهور است. زیست توده بعنوان یکی از منابع انرژی تجدیدپذیر میتواند جایگزین جزئی از سوختهای فسیلی باشد. استفاده از زیست توده میتواند وابستگی به سوختهای فسیلی را محدود و انتشار CO2 را کاهش دهد.
زیست توده شامل مواد طبیعی و مشتق شده از قبیل گونههای چوب و گیاهی، ضایعات چوب، ضایعات محصولات زراعی و صنعتی، ضایعات کاغذ، ضایعات جامد شهری، چمن، ضایعات فراوری مواد غذایی، ضایعات حیوانی، گیاهان آبزی و جلبکها و غیره است
زیست توده منبعی سازگار با محیط است که به سرعت به یک منبع مورد استفاده گسترده انرژی در کشورهای در حال توسعه تبدیل میشود که در بخش های کشاورزی بزرگ حدود 40 الی 50 درصد از کل انرژی خود را از زیستتوده تامین میکنند
تبدیل ترموشیمیایی زیستتوده شامل احتراق، مایع سازی، گازسازی و پیرولیز است. در میان آنها، پیرولیز یکی از مسیرهای امیدبخش تبدیل ترموشیمیایی است. پیرولیز زیستتوده، تجزیه زیستتوده از طریق حرارت در فقدان اکسیژن که به تولید گاز، نفتزیستی و زغال زیستی میانجامد، دارای ارزش زیادی است. به عنوان حامل انرژی با ارزش بالا، گاز پیرولیز برای تولید حرارت و برق مناسب است. نفتزیستی به علت چگالی انرژی بالا و ترکیبات شیمیایی فراوان به عنوان سوخت یا مواد شیمیایی استفاده میشود. زغال زیستی به عنوان مواد خام از کربن فعال، کاهشدهنده، جاذب و اصلاح کننده خاک در بخش کشاورزی استفاده است
پیرولیز زغال غنی از کربن، بخارات چگالنده و گازهای غیرمتراکم را تولید میکند. بخار متراکم به نام نفتزیستی - مایع قهوهای تیره رنگ است که میتواند در دیگهای بخار و موتورهای دیزلی برای تولید برق به جای سوختهای فسیلی استفاده شود. همچنین میتواند یک منبع شیمیایی با بیش از 300 ترکیب آلی باشد. با توجه به مزایای زیست محیطی آن میتواند به عنوان یک سوخت پاک با آلایندگی کمتر نسبت به سوختهای فسیلی باشد
در پیرولیزسریع، مواد در رآکتور با درجه حرارت بالا گرممعمولاً - 600-450 درجه سانتیگراد - میشوند و لیگنین به سرعت به مواد فرارتجزیه میشود، که به سرعت فشرده شده به مایع تبدیل میشود. سهولت استفاده از پیرولیز سریع، تبدیل لیگنین را موثرتر و عملیتر میکند. مولکولهای کوچک با ارزش بالا در طی فرآیند با شرایط تبدیل شدید، به دست میآیند. در پیرولیز آهسته، زیستتوده به ملایمت حرارت داده میشود که محصول اصلی آن زغال زیستی بوده Bio- - - char و برای تولید کربن فعال استفاده میشود
در فرایند پیرولیز، محصولات زیست توده پیرولیزی اغلب تحت تأثیر عواملی از قبیل مواد تغذیه، دمای پیرولیز، زمان ماندگاری جامد، حالت پیرولیز، نوع راکتور، اندازه ذرات و غیره هستند. تاثیرات گسترده این عوامل بر توزیع و ترکیبات محصولات پیرولیز، مورد بررسی قرار گرفته است
کربنهای فعال تجاری - کربنهای فعال - که در تصفیه فاضلاب استفاده می شوند می تواند از پوسته نارگیل، پوسته پسته، ذغال سنگ، چوب ها و لیگنیت - زغال سنگ چوبینما - تولید شوند
کربنهای فعال دارای خواص مطلوبی هستند که استفاده از آن در جذب را قادر می سازد: سطح بزرگ و متخلخل، همراه با مواد شیمیایی که با مولکولهایی با گروه های کاربردی خاص واکنش نشان میدهند. با این حال، به عنوان تصفیه فاضلاب نسبت به سایر بخش های صنعتی کمتر سودمند است، همیشه هزینه های مربوط به تیمار را ترجیح می دهیم. پتانسیل زیستتوده برای تولید جاذب کم هزینه از دهه گذشته مشخص شده و تعداد زیادی از مطالعات به منظور تعیین ویژگی ها و کارایی کربنهای فعال تولید شده از ضایعات مختلف در حذف آلودگی های مختلف از فاضلاب انجام شده است.
در تحقیق حاضر، به بررسی کامل استفاده از زیستتوده و پسماندهای کشاورزی برای تولید زغال زیستی پرداخته میشود. این زغال زیستی ماده اولیه برای تولید کربن فعال بوده و میتواند جایگزین محصولات صنعتی و شیمیایی برای تصفیه فاضلابهای شهری و صنعتی شود.
-2 روش تولید کربن فعال
سنتز کربنهای فعال از زیست توده به طور کلی با پیش فراوری نمونه شامل خرد کردن، خشک کردن - در حدود °C - 100 و سایش برای به دست آوردن ذرات کوچک در محدوده اندازههای خاص، شروع می شود. این به وسیله کربنسازی زیست توده در محیط خشک بی اثر - 500-300 °C - دنبال می شود که باعث تسهیل حذف مواد فرار و قیر شده و منجر به تشکیل زغال زیستی می شود.
پیرولیز یکی از مؤثرترین و کارآمدترین فرآیندهایی است که انرژی را به صورت ذغال از زیستتوده استخراج میکند. به غیر از ذغال، پیرولیز همچنین میتواند نفتزیستی و دیگر محصولات با ارزش، تولید کند
پیرولیز یک فرایند ترموشیمیایی است که در آن زیستتوده در مواد شیمیایی خود تحت فضای استوکیومتریک اکسیژن بی اثر یا بسیار کم تجزیه میشود. پیرولیز در مقایسه با احتراق، علاوه بر بهره وری، آلودگی کمتری نیز دارد. فرایند پیرولیز در محدوده دما 400 تا 1200 درجه سانتیگراد رخ میدهد. اگرچه بازده تولید بستگی به پارامترهای عملیاتی مختلف دارد اما به طور کلی دمای پایین و زمان اقامت بالا به تولید زغال زیستی کمک میکند
شکل .1 محصولات حاصل از فرایند پیرولیز.
در گرمایش زیستتوده، زیستتودههای فرار شکسته میشوند که پس از تراکم تولید نفتزیستی میکنند. فضای بدون اکسیژن ما را قادر به گرم کردن زیستتوده در دمای بالاتر از حد پایداری حرارتی خود میسازد و در نتیجه تشکیل محصولات پایدارتر و مواد جامد باقی مانده میگذارد. با ایجاد یک محیط بدون اکسیژن نیز اطمینان حاصل میشود که در گرمای زیست توده، احتراق اتفاق نخواهد افتاد. پیرولیزاساساً متشکل از دو مرحله به نام پیرولیز اولیه و پیرولیز ثانویه است
در سالهای اخیر، کربنسازی هیدروترمال در تهیه کربنهای فعال محبوبیت فراوانی دارد. در این فرآیند، زیست توده قبل از کربن سازی با آب یا محلول واکنش مخلوط میشود . - Islam et al., 2017 - محصول کربنیزاسیون هیدروترمال به دلیل روش سنتز مختلفی که از زغال زیستی استفاده می شود، به هیدروزغال نامیده می شود.
کربنیزاسیون هیدروترمال از کربنیزاسیون معمولی سودمند تر است، زیرا لازم به مرحله اولیه خشک شدن زیست توده نیست. علاوه بر این، از دمای پایین - 250-180 °C - در چنین فرآیندی استفاده می شود. به جای فشار بالا، از بخار در سیستم بسته همانند یک نیروی محرکه اضافی برای تبدیل زیست توده به هیدروزغال عمل می کند. آب بحرانی تشکیل شده تحت چنین شرایطی باعث تحزیه سلولز، همی سلولوز و لیگنین در زیست توده می شود .علاوه بر این، گازهای اسیدی تولید شده در طی حررات CO2 - ، NO2، SO2 و غیره - ممکن است با آب واکنش دهند تا یک محلول اسیدی ایجاد کنند.
بنابراین نیاز به تیمار چنین آلایندههای گازی وجود دارد. حضور چندین گروه عملکردی به ویژه اکسیژن، در هیدروزغال نیز گزارش شده است که منجر به افزایش ظرفیت جذب آلاینده ها می شود . پس از کربنیزاسیون زیست توده، فعالسازیهای فیزیکی یا شیمیایی برای فعال کردن ماده کربنیزه ضروری است. فعال-سازی فیزیکی معمولا با عبور گازهای بی اثر CO2 - ، N2 و غیره - یا بخار از میان نمونه در دمای بالا - 900-700 °C - انجام می شود. در چنین وضعیتی، تبدیل مواد کربن به گاز CO2 از طریق اکسیداسیون محدود میشود و عملکرد کربن فعال در مقایسه با فعال شدن در هوا افزایش می یابد
